本發(fā)明屬于水下機(jī)器人圖像處理領(lǐng)域，涉及水下扭曲圖像復(fù)原技術(shù)，具體涉及一種應(yīng)用于水下機(jī)器人橋墩裂縫檢測(cè)的水下扭曲圖像復(fù)原方法。

背景技術(shù)：

1、近些年來，全自主式水下機(jī)器人因其可以取代潛水員長(zhǎng)時(shí)間工作在水流湍急的危險(xiǎn)環(huán)境，所以在橋墩水下部分的狀態(tài)觀測(cè)與裂縫維修領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用。在這個(gè)過程中，準(zhǔn)確的水下視頻圖像是判斷橋墩狀態(tài)與制定維修方案的重要依據(jù)，但是水流高速流過固定的橋墩，在橋墩兩側(cè)形成規(guī)律的漩渦，這些漩渦干擾水體密度分布，易造成水下機(jī)器人采集的水下圖像發(fā)生形變與扭曲從而影響方案制定，因此設(shè)計(jì)一種能夠消除漩渦引起的周期性圖像畸變與扭曲技術(shù)對(duì)于橋墩的全自動(dòng)觀測(cè)與維修具有極大的助力。

2、對(duì)于水下機(jī)器人的復(fù)原扭曲圖像技術(shù)目前主要有構(gòu)建水面波動(dòng)方程、壓縮感知、幸運(yùn)塊融合等方法。構(gòu)建水面波動(dòng)方程，并據(jù)此估算水下空間扭曲情況，去除由于湍流所產(chǎn)生的圖像扭曲的方法僅適用于淺水域不能遷移至橋墩深水區(qū)。壓縮感知方法對(duì)初始值敏感度高，由于漩渦湍流的干擾淺深易對(duì)初始值的選擇影響較大，因此該方法對(duì)于水下機(jī)器人在進(jìn)行橋墩作業(yè)時(shí)的圖像處理不具備穩(wěn)定的準(zhǔn)確性。幸運(yùn)快融合選取視頻序列中某幾幀質(zhì)量較高的扭曲圖像塊部分進(jìn)行拼接得到最后的完整圖像，同樣地也受到漩渦湍流的干擾淺深影響到最后的拼接質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種應(yīng)用于水下機(jī)器人橋墩裂縫檢測(cè)的水下扭曲圖像復(fù)原方法。

2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于水下機(jī)器人橋墩裂縫檢測(cè)的水下扭曲圖像復(fù)原方法，包括如下步驟：

3、s1：通過水下機(jī)器人實(shí)時(shí)觀測(cè)橋墩周圍水況并據(jù)此建立流體應(yīng)力模型及其坐標(biāo)系；

4、s2：基于流體應(yīng)力模型，計(jì)算得到湍流繞橋墩具體作用力范圍；

5、s3：根據(jù)湍流繞橋墩具體作用力范圍，計(jì)算得到目標(biāo)圖像像素點(diǎn)偏置位移；

6、s4：根據(jù)獲取的像素點(diǎn)偏置位移，建立特征扭曲點(diǎn)中原像素點(diǎn)的坐標(biāo)集合；

7、s5：采用基于多項(xiàng)式展開的光流法補(bǔ)償出步驟s4的坐標(biāo)集合中原像素點(diǎn)的周圍相鄰點(diǎn)；

8、s6：重復(fù)步驟s4～s5直至獲得n個(gè)像素點(diǎn)及其相鄰點(diǎn)集合，展開點(diǎn)集合獲得復(fù)原后的圖像。

9、進(jìn)一步地，所述步驟s2中湍流繞橋墩具體作用力包括俯視角下的左翼漩渦作用力、俯視角下的右翼漩渦作用力和側(cè)視角下的底部漩渦作用力。

10、進(jìn)一步地，所述俯視角下的左翼漩渦作用力范圍的計(jì)算方法為：

11、f為湍流沖擊橋墩的應(yīng)力，o為橋墩受一段湍流沖擊的受力中心點(diǎn)，fl為f繞o點(diǎn)朝左翼分解的初始應(yīng)力，fl’為fl繞橋墩左翼擴(kuò)散的最大限度應(yīng)力；其中x軸為過o點(diǎn)的兩條方向相反的切線，y軸與x軸呈垂直，α是f與x軸夾角；

12、取長(zhǎng)度dsl為坐標(biāo)系x-o-y的拱段微元；由于湍流周圍存在介質(zhì)黏性拖拽以及橋墩弧狀造成衰減，為了求得初始分解應(yīng)力fl，定義一個(gè)曲率速降公式：

13、

14、其中，fx為f的x方向分力，fy為f的y方向分力，ε指湍流周圍介質(zhì)黏性系數(shù)，dsl/dr代表拱段微弧度；則fl的大小為：

15、

16、當(dāng)fl擴(kuò)散到fl’時(shí)，f的xl軸方向分力衰減為0，即：

17、

18、則fl’的大小為：

19、

20、為了求得fl的擴(kuò)散范圍大小，引入△fl，用△fl表示fl的擴(kuò)散范圍，為△fl的矢量表示，則為擴(kuò)散范圍的大小，由矢量關(guān)系得：

21、

22、求得即△fl大小，即為fl的擴(kuò)散范圍大?。?/p>

23、

24、其中，l為fl與△fl的夾角。

25、進(jìn)一步地，所述俯視角下的右翼漩渦作用力范圍的計(jì)算方法為：

26、fr為f繞o點(diǎn)朝左翼分解的初始應(yīng)力，fr’為fr繞橋墩右翼擴(kuò)散的最大限度應(yīng)力；取長(zhǎng)度dsr為坐標(biāo)系x-o-y的拱段微元；由曲率速降公式同理得：

27、

28、其中，dsr/dr代表拱段微元弧度；則fr的大小為：

29、

30、當(dāng)fr擴(kuò)散到fr’時(shí)，f的xr軸方向分力衰減為0，即：

31、

32、則fr’的大小為：

33、

34、為了求得fr的擴(kuò)散范圍大小，引入△fr，用△fr表示fr的擴(kuò)散范圍，為△fr的矢量表示，則為擴(kuò)散范圍的大小，由矢量關(guān)系得：

35、

36、求得即△fr大小，即為fr的擴(kuò)散范圍大?。?/p>

37、

38、其中，r為fr與△fr的夾角。

39、進(jìn)一步地，所述側(cè)視角下的底部漩渦作用力范圍的計(jì)算方法為：

40、z軸沿橋墩鉛錘向上方向，y軸沿橋墩受力點(diǎn)o向外方向，β為f與z軸夾角；fh為湍流f沖擊橋墩后的反震初始力，fh’為fh沿橋墩鉛錘向底部擴(kuò)散的最大限度應(yīng)力；

41、取高度為h的橋墩縱段；由于湍流周圍存在介質(zhì)黏性拖拽以及受一定剛度的橋墩反震后隨高度的縱向衰減，為了得到反震初始力fh，定義一個(gè)反震衰減的速降公式：

42、

43、其中，1/εσ為衰減系數(shù)，ε指湍流周圍介質(zhì)黏性系數(shù)，σ指橋墩的剛度；fz為f的z方向分力，則fh的大小為：

44、

45、當(dāng)fh擴(kuò)散到fh’時(shí)，f的z軸方向分力衰減為0，即：

46、

47、則fh’的大小為：

48、

49、為了求得fh的擴(kuò)散范圍大小，引入△fh，用△fh表示fh的擴(kuò)散范圍，為△fh的矢量表示，則為擴(kuò)散范圍的大小，由矢量關(guān)系得：

50、

51、求得即△fh大小，即為fh的擴(kuò)散范圍大?。?/p>

52、

53、其中，h為fh與△fh的夾角。

54、進(jìn)一步地，所述步驟s3中像素點(diǎn)偏置位移的計(jì)算方法具體為：

55、根據(jù)應(yīng)力模型得到了湍流在沖擊橋墩后形成渦流擴(kuò)散的最大作用范圍△fl、△fr、△fh，有在各個(gè)分力下造成的漩渦擴(kuò)散速度；由牛頓第二定律推導(dǎo)可得擴(kuò)散速度為：

56、

57、則各個(gè)方向擴(kuò)散速度的大小為：

58、

59、其中，c為積分常數(shù)；由速度與位移關(guān)系可得像素點(diǎn)受擴(kuò)散作用的各個(gè)方向偏置位移s的大小為：

60、

61、進(jìn)一步地，所述步驟s4具體為：

62、視頻幀序列由若干個(gè)圖像像素點(diǎn)的軌跡繪制而成；根據(jù)攝像頭在某一幀中捕獲到的n個(gè)特征扭曲點(diǎn)生成點(diǎn)軌跡：

63、

64、其中，坐標(biāo)(pxit,pyit)表示在某一幀捕獲n個(gè)扭曲點(diǎn)中的第i個(gè)像素點(diǎn)；

65、由步驟s3得到第i個(gè)原像素點(diǎn)的位移集給出為：

66、

67、其中，sxit＝sl-sr代表原像素點(diǎn)的水平點(diǎn)軌跡位移，當(dāng)sl＜sr即sxit＜0時(shí)，原像素點(diǎn)水平方向上主要受右翼漩渦作用向橋墩右側(cè)位移至pxit；當(dāng)sl＞sr即sxit＞0時(shí)，原像素點(diǎn)水平方向上主要受左翼漩渦作用向橋墩左側(cè)位移至pxit；syit＝sh代表原像素點(diǎn)垂直方向上的點(diǎn)軌跡位移，即原像素點(diǎn)垂直方向上受底部漩渦向墩柱地基位移至pyit；

68、由此推導(dǎo)出某一幀捕獲n個(gè)扭曲點(diǎn)中的第i個(gè)原像素點(diǎn)的坐標(biāo)集合為：

69、

70、進(jìn)一步地，所述步驟s5具體為：

71、1)選取某一幀的視頻序列中的一個(gè)像素點(diǎn)表示為二階多項(xiàng)式：

72、

73、2)假設(shè)選定點(diǎn)與相鄰點(diǎn)距離給出未知相鄰點(diǎn)多項(xiàng)式展開：

74、

75、其中，d為假設(shè)兩點(diǎn)間的距離，為未知的相鄰點(diǎn)；公式(29)和(30)中a1,a2,b1,b2為多項(xiàng)式系數(shù)；

76、3)令多項(xiàng)式系數(shù)相等可得：

77、

78、4)解得相鄰距離d為：

79、

80、5)相鄰點(diǎn)的坐標(biāo)集表示為：

81、

82、進(jìn)一步地，所述步驟s6中復(fù)原后的圖像表示為：

83、

84、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備如下優(yōu)點(diǎn)：

85、1、通過實(shí)時(shí)的水況建立模型不依賴初始值的采樣，從而提高了最終圖像復(fù)原結(jié)果的準(zhǔn)確性。

86、2、全過程以圖像扭曲的根本原因是像素點(diǎn)的畸變?yōu)閷?duì)象進(jìn)行矯正，而非估算水下空間扭曲情況，更適用于橋墩深水區(qū)的圖像復(fù)原，也不受漩渦湍流的干擾淺深影響到最后的復(fù)原圖像質(zhì)量，圖像復(fù)原質(zhì)量得到了很好的保障。